浙江至德鋼業(yè)有限公司根據(jù)工程需要采用鎢極氬弧焊打底、蓋面、背部充氬保護(hù)的焊接工藝，對SAF2205雙相不銹鋼管焊接接頭的金相組織及力學(xué)性能進(jìn)行了試驗和分析。結(jié)果表明，選用適當(dāng)?shù)暮附z及合理的焊接工藝參數(shù)并控制熱輸入和層間溫度，所得的焊接接頭的焊縫及焊縫熱影響區(qū)域的金相組織為滿足需求的鐵素體加奧氏體雙相組織，其各項力學(xué)性能及理化試驗結(jié)果均理想。

 雙相不銹鋼是指金相組織由鐵素體與奧氏體兩種組織構(gòu)成的不銹鋼。雙相不銹鋼不僅具有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、良好的加工性、焊接性，而且還具有鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和良好的耐氯化物腐蝕等性能，被廣泛用于石油、化工、海洋及電力等行業(yè)中，核電建設(shè)在紅沿河海水淡化和田灣核電中都有應(yīng)有，是非常具有發(fā)展前景的材料之一。雙相不銹鋼焊接的最大難點是焊接過程中不均勻加熱和冷卻對焊接接頭中組織的影響。因此，有必要研究雙相鋼的焊接工藝，確定焊接工藝參數(shù)，保證焊接接頭具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。至德鋼業(yè)研究了SAF2205雙相不銹鋼鎢極氬弧焊打底及蓋面并背部充氬的焊接工藝，并對焊接接頭進(jìn)行了多項高科技試驗。

一、焊接材料與方法

1. 母材與焊接材料

 焊接母材為規(guī)格457×14mm的SAF2205雙相不銹鋼管。實驗中采用鎢極氬弧焊打底、蓋面的焊接方法，背部采用充氬的氣體保護(hù)，氬氣純度≥99.99%。

 焊接材料選用鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于母材的雙相鋼焊接材料，以確保焊縫中奧氏體相占有優(yōu)勢，焊縫中的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在30%~45%。焊絲選用ER2209￠2.0及￠2.4的焊絲，焊縫坡口角度35°，坡口形式為雙V型，對口間隙2mm~3mm。管材與焊接材料主要元素相比較管材的鉻、鎳、鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.0、5.0、3.0，焊材的鉻、鎳、鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21.5/23.5、7.5/9.5、2.5/3.5。

 2. 焊接工藝參數(shù)

 SAF2205雙相不銹鋼的焊接性能良好，熱裂紋傾向低，脆化傾向小。為使焊縫和焊接熱影響區(qū)能有合適的奧氏體數(shù)量以保證焊接接頭有良好的力學(xué)與腐蝕綜合性能，焊接時必須控制線能量和層間溫度，一般控制在0.5kj/mm~2.5kj/mm。多層多道焊時，控制層間溫度可避免冷卻速度過低而引起析出相的產(chǎn)生，焊接時嚴(yán)格制定焊接工藝參數(shù)，焊接電流、電壓均參考此專用焊絲的推薦參數(shù)，單層焊道的厚度及整體焊縫的焊接層數(shù)都嚴(yán)格計算并在過程中嚴(yán)格控制。

 焊接時，保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)99.99%的氬氣，熔池保護(hù)氣體體積流量為10L/min，背面保護(hù)氣體體積流量為5L/min，層間溫度不超過100℃。當(dāng)焊至第三層的時候可撤掉背部保護(hù)氣體。測量層間溫度時用遠(yuǎn)紅外測溫機(jī)，測3點以上的數(shù)據(jù)，避免使用直接接觸式測溫以免高溫燙傷。焊接記錄見表。

 3. 焊后外觀檢驗及射線檢驗

 焊接后焊縫的外觀經(jīng)檢查，符合規(guī)范要求，采用搖擺焊蓋面的雙相鋼焊縫的外觀呈均勻的魚鱗狀波紋。外觀合格的焊縫經(jīng)過RT檢驗結(jié)果為RT檢驗Ⅰ級合格（標(biāo)準(zhǔn)為DL/T821-2002）。檢驗合格后的試件拿到精加工車間加工金相及力學(xué)性能試驗所需的試塊。

二、試驗方法及結(jié)果分析

 1. 金相組織觀察

 對試樣進(jìn)行了宏觀金相，觀察了SAF2205雙相不銹鋼管道焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微組織，見圖。從圖可以看出，焊縫與母材之間熔合良好，未見裂紋及未熔合。從圖可以看出，母材SAF2205的微觀結(jié)構(gòu)中具有鐵素體和奧氏體雙相組織。從圖可以看出，焊縫及熱影響區(qū)微觀組織均為奧氏體+鐵素體雙相組織，并且為觀察到晶間碳化物和沉淀相。

 圖中灰色基體為鐵素體，白色為奧氏體組織。由于根部冷卻速度快，中部冷卻速度慢，使得鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體較充分，所以焊縫中部的奧氏體量比根部要多一些。另外，后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，故焊縫中部奧氏體量高于焊縫底部的奧氏體量。

 2. 力學(xué)性能試驗

  a. 拉伸試驗

 根據(jù)9001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備及拉伸試驗，試驗機(jī)型號為濟(jì)南材料試驗機(jī)廠制造的WWE-60。試樣形狀及其尺寸見圖，拉伸試驗結(jié)果見表。

 拉伸試驗結(jié)果表明，斷裂均發(fā)生在母材部位，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度符合要求，且焊縫強(qiáng)度比母材更好（母材抗拉強(qiáng)度為680MPa），說明接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)于母材，其原因有以下兩方面：1）由圖可以看出，母材中鐵素體和奧氏體組織沿軋制方向呈帶狀分布，而焊縫金屬和熱影響區(qū)中的鐵素體和奧氏體互相交錯，方向各異，晶界增多，能夠鎖定位錯從而使鋼強(qiáng)化；2）焊縫中的鉻、鉬、鎳原子經(jīng)高溫重熔后能夠置換晶格中的鐵原子，擾亂了原來的晶格排列，使位錯移動困難，從而使鋼強(qiáng)化。因此，焊縫金屬經(jīng)過多種強(qiáng)化方式后，其強(qiáng)度優(yōu)于母材。

 2. 沖擊試驗

 根據(jù)ASTMA370的要求對試樣焊接接頭的焊縫、熔合區(qū)和母材進(jìn)行了-20℃的低溫沖擊試驗。沖擊試樣尺寸為10mm×10mm。沖擊試驗結(jié)果見表 。

 實驗要求在-20℃下，試樣的平均沖擊吸收功為50J。試驗的焊縫、熔合線及母材的沖擊韌性均符合要求。雙相不銹鋼焊接接頭由于奧氏體的存在具有良好的沖擊韌性，奧氏體不僅能抑制已產(chǎn)生裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，而且能阻止高溫加熱時鐵素體晶粒的長大。另外，碳、氮等間隙元素在奧氏體相中的溶解度高，與單相鐵素體不銹鋼相比，高溫冷卻時不易析出碳和氮的化合物，從而抑制了晶界脆化。

 由于沖擊試驗的結(jié)果可見，焊縫和熔合線的沖擊功都小于母材，這是由母材金相結(jié)構(gòu)決定的。母材中鐵素體和奧氏體兩相組織約各占一半，并呈帶狀交替分部，較好地抑制了裂紋的擴(kuò)展。

 3.彎曲試驗

 根據(jù)ASME IX的標(biāo)準(zhǔn)，對試樣進(jìn)行了側(cè)彎試驗，彎曲角度180°。試驗結(jié)果為4個試樣結(jié)果均合格。根據(jù)規(guī)定，認(rèn)定彎曲試驗合格。

 4. 接頭硬度測試

 采用FV-7B數(shù)字維氏硬度計測量了焊縫、熱影響區(qū)以及母材3個區(qū)域中共計27個點的維氏硬度，測試載荷為10kg。測試點的位置見圖，硬度分部見圖。試驗要求焊縫和熱影響區(qū)的硬度值均應(yīng)小于310Hv10，母材硬度值不超過285Hv10，測量結(jié)果表明焊接接頭硬度符合要求。

 從圖可以看出，焊接接頭熱影響區(qū)中靠近熔合線的側(cè)量點的硬度值高于熱影響區(qū)遠(yuǎn)離熔合線的測量點的硬度值。這是因為鐵素體的顯微硬度高于奧氏體的顯微硬度，由于焊接熱循環(huán)的作用，靠近熔合線部分的組織中含有較多的鐵素體，硬度也隨之升高。焊縫區(qū)的硬度由頂部到底部大體呈升高的趨勢，這和焊縫區(qū)金相組織是相對應(yīng)的。焊縫底部打底采用的線能量較小，鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體不充分，故硬度值稍高。受后續(xù)焊道的熱處理作用，相比焊縫中部，焊縫頂部含有較多的奧氏體組織，故硬度值低。

 5. 晶間腐蝕

 依據(jù)GB/T4334-2008，加工試樣并將樣品在晶間腐蝕試驗裝置中進(jìn)行浸泡、煮沸試驗后，在200倍顯微鏡下觀察，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

 6. 鐵素體含量測定

 依據(jù)GB/T13305-2008，加工試樣并對試樣進(jìn)行研磨、拋光，在500倍顯微鏡下測定試樣檢查面上鐵素體相面積百分含量。如下表所示，對焊縫部位選取5個視場測定鐵素體含量，記錄測定值并計算平均值。

三、結(jié)論

 對SAF2205雙相不銹鋼管進(jìn)行氬弧焊焊接，當(dāng)選用比母材鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的雙相鋼焊接材料，線能量在1.5kj/mm以下，層間溫度控制在100℃以下時，可獲得性能良好的焊接接頭。焊接接頭的各項力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)，焊縫強(qiáng)度比母材更好，具有良好的沖擊韌性，焊縫和熱影響區(qū)的硬度較母材偏高。晶間腐蝕及鐵素體含量的測定更加肯定了雙相鋼焊縫組織完全符合要求。